- •Р.Б. Николаева, с.В. Сайкова
- •Часть 2.
- •Учебное пособие
- •Список принятых сокращений и условных обозначений1
- •Введение
- •Водород
- •Свойства и применение
- •Распространенность и получение водорода. Водородная энергетика
- •Галогены
- •Общая характеристика. Получение
- •Простые вещества
- •Галогениды водорода
- •Кислородосодержащие соединения фтора
- •Кислородосодержащие соединения аналогов фтора
- •Галиды галогенов
- •Галид-оксиды галогенов
- •Халькогены
- •Общая характеристика
- •Простые вещества
- •Халькогениды водорода
- •Перхалькогениды
- •Кислородосодержащие соединения
- •Галиды и оксид-галиды
- •Экологический аспект переработки сульфидных руд
- •Подгруппа азота
- •Общая характеристика
- •Простые вещества
- •Соединения с водородом
- •Гидразин и гидроксиламин
- •Кислородосодержащие соединения
- •Удобрения. Проблема связывания азота
- •Сульфиды
- •Галиды и оксогалиды
- •Группа p-элементов
- •Нахождение в природе, получение
- •Простые вещества
- •Соединения с водородом
- •Соединения с металлами
- •Кислородосодержащие соединения
- •Углекислый газ. Использование и проблемы
- •Силикатное стекло
- •Сульфиды
- •Азотсодержащие соединения р-элементов IV группы
- •III-группа p-элементов
- •Общая характеристика
- •Нахождение в природе и получение простых веществ
- •Физические свойства простых веществ
- •Производство алюминия. Сплавы
- •Химические свойства простых веществ
- •Соединения с водородом
- •Кислородосодержащие соединения
- •Соединения бора с азотом
- •S-элементы
- •Общая характеристика. Простые вещества
- •Соединения s-элементов
- •12000С ⎧→ CaSiO3(цемент)
- •Благородные газы
- •Некоторые закономерности периодической системы
- •D-элементы
- •Общая характеристика
- •Нахождение в природе
- •Получение d-металлов
- •Физические свойства
- •Химические свойства простых веществ
- •Кислородосодержащие соединения
- •Соли d-элементов
- •Комплексные соединения
- •F-элементы
- •Лантаноиды
- •Актиноиды
- •Заключение
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Содержание
- •IV группа p-элементов.................................................................................................................................................52
- •III-группа p-элементов................................................................................................................................................68
Углекислый газ. Использование и проблемы
Хотя я верю в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу, или даже более высокого качества.
Ф. Жолио-Кюри
Углекислый газ получают в промышленности термическим разложением известняка. При этом одновременно образуется очень ценный продукт – негашеная известь (второе место по использованию в производственной химии после серной кислоты).
Достаточно широко применяют и CO2 : при синтезе соды, в качестве инертной среды, для организации безопасных взрывов и тушения пожаров, в производстве газированных напитков; при хранении овощей и как газовое удобрение для теплиц. А в виде «сухого» льда для охлаждения продуктов, для рассеивания тумана и т.д.
В последнее время внимание исследователей привлекает использование CO2 , находящегося всверхкритическомсостоянии, для проведения очень эффективной экстракции (в частности, при извлечении кофе из неразмолотых кофейных зерен). И для осуществления других процессов с участием CO2(в указанном состоянии) с тем, чтобы они протекали быстро, с минимальными затратами и без отходов. Например, для проведениябезотходногокаталитического гидрирования CO2с образованием HCOOH.
Однако, с другой стороны, CO2создает проблемы, ибо, как считает ряд ученых, за счет слишком интенсивного сжигания С-содержащего топлива80в последние десятилетия концентрация CO2в атмосфере повышается, что приводит к «парниковому» эффекту. Его последствиями могут быть не только утрата части суши и учащение стихийных бедствий, но даже изменение суточного вращения Земли.
Поэтому перед учеными стоит задача связывания CO2 , причем желательно в ценные органические вещества подобно тому, как это делают растения. (В частности, идут работы над созданием катализаторов, аналогичных хлорофиллу).
Силикатное стекло
Стекло – материал старый, но перспективный. Корнями стекло уходит в пятое тысячелетие до н.э. Но все, что мы знаем о нем и возможностях его применения, слишком мало по сравнению с тем, что еще предстоит узнать. В будущем стекло станет универсальным материалом.
З. Поллер
В общем случае стеклом называют материал, получающийся при остывании расплава в виде аморфного, обычно прозрачного тела, которое не имеет определенной т.пл., а характеризуется температурным интерваломпостепенногопереходатвердого состояния в жидкое (и наоборот).Силикатноестекло представляет собой твердый неметаллический раствор, основой которого является SiO2 .
Чистый диоксид кремния, т.е. кварцевое стекло, пропускает УФ-лучи, поэтому используется в кварцевых лампах. Из него делают также прочную и термостойкую посуду. Однако оно слишком тугоплавко (>15000С). Напротив, простое стекло (его примерный состав: Na2O⋅ CaO⋅ 6SiO2 ), полученное сплавлением песка, соды Na2CO3и известняка, размягчается уже при 3000С, но оно хрупко.
Чтобы повысить его механическую, а также термическую и химическую стойкость, заменяют соду на поташ (K2CO3 ) и добавляют B2O3и Al2O3 . Так делают стекло пирекс – идет на изготовление химической посуды.
Для обесцвечиваниястекла, т.е. окисления примеси FeS, которая придает ему некрасивый зеленый (бутылочный) цвет, в расплав добавляют MnO2(которое поэтому называют «стекольным мылом»). Отметим, что именно наличие Fe в стекле делает его непрозрачным для УФ-лучей.
Введение оксидов Ni, Co или Cr в расплав стекла окрашивает его соответственно в красный, синий или изумрудно-зеленый цвет, а добавки PbO или GeO2увеличивают коэффициент преломления стекла – так получают хрусталь. Примесь Au или Se делает стекло рубиновым.
Управляемой кристаллизацией расплава синтезируют стекло ситалл81, по прочности приближающееся к чугуну, которое используют как сравнительно дешевый заменитель металлов, керамики, бетона, дерева в промышленности, строительстве и быту.
Сплавлением песка с содой (или поташом) получают т.н. растворимые стекла
M2SiO3 . Они представляют собой смесь силикатов Nа (или К) разной степени полимеризации. Их концентрированные растворы (жидкое стекло82) применяют в качестве т.н. силикатного клея; для смазывания спилов деревьев после обрезки, для пропитки тканей, древесины и др. (с целью повышения их прочности и огнестойкости).
На основе оксида кремния синтезированы также силиконы (т.е. полиорганосилоксаны) – полимеры состава:
⎛ R⎞
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟ ,
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝ R⎠n
где R – органический радикал. Они теплостойки до 6000С и в зависимости от типа R могут быть смолами, каучуками или маслами. Силиконовые материалы, как легко дезактивируемые, применяются при проведении ремонтных работ в радиоактивной зоне. (В частности, использовались после аварии на Чернобыльской АЭС).
Галиды
Устойчивость.Стабильность галидов р-элементов IV группы от фторидов к иодидам закономерно снижается (например, CBr4 , тем более CI4– эндотермичны, в отличие от CCl4 ). А изменение их активности при переходе от углерода к свинцу определяется, в основном, устойчивостью элемента в той или иной ст.ок.
Так, в ст.ок. (+4) наиболее стойки галиды углерода и кремния (даже SiI4является экзосоединением, а для свинца устойчив лишь PbF4 ). И наоборот, если C и Si практически не образуют галидов в ст.ок. (+2) (нестойкий SiCl2получен в тлеющем разряде), то в случае свинца(II) даже иодид (химическое золото) устойчив. А окислить галиды свинца(II) можно лишь вжесткихусловиях:
PbCl2 + Cl2 + NaOH→ Na2[Pb(OH)6 ]+ NaCl+ H2O.
В то же время GeCl2оченьсильныйвосстановитель – легко реагирует с кислородом воздуха. А хлорид олова(II) занимаетпромежуточноеположение (медленно окисляется на воздухе), поэтому широко используется на практике в качестве восстановителя. Чтобы предотвратить окисление Sn(II) при хранении, в раствор его хлорида помещают Sn0, а для подавления гидролиза подкисляют, добавляя НСl.
Структура.В устойчивых галидах состава ЭГ2имеет место sp -3 гибри-дизация орбиталей элемента, а тетраэдрическая координация достигается обобществлением атомов галогенов, т.е.полимеризацией.Поэтому данные галиды при об.у. – твердые вещества (т.пл. 200-4000С).
Напротив, для большинства галидов ЭГ4характернамолекулярнаякристаллическая решетка и температуры их фазовых переходов значительно ниже. Как следствие, при об.у. они газы (CF4 ) или жидкости (поэтому используются в качестве растворителей, как, например, хлориды C, Si и Sn).
Все иодиды, а также CBr4– твердые вещества, но т.пл. всего 90-1700С. В то же время фториды олова(IV) и свинца(IV) достаточно тугоплавки (т.пл. 200 и 6000С, соответственно), т.к. имеютслоистуюрешеткуза счет обобществления атомов фтора83при sp3d2 -гибридизации орбиталей ц.а.
Получение.Получить галиды в устойчивых ст.ок. можно из ИПВ, но в промышленности для синтеза SiCl4и SnCl4используют хлорную металлургию. Ее суть: через раскаленную смесь оксида элемента с углем (необходимым для связывания кислорода) пропускают Cl2– при этом галиды, как летучие вещества, отгоняются:
ЭO2 + C+ Cl2 ⎯⎯→t ЭCl4↑ + CO .
Неустойчивые соединения получают косвенно, например:
GeCl4 + Ge→ GeCl2 ,
Sn + HCl→ SnCl2 + H2 ,
PbO2 + HCl⎯⎯t<0⎯0⎯C →PbCl4 + H2O.
Гидролиз.Степень гидролиза галидов, как и других аналогичных соединений [3], уменьшается с понижением ст.ок. элемента. Например, SnCl4гидролизуется даже в кислой среде с образованием осадка SnO2 ⋅ nH2O, а SnCl2– лишь в неподкисленных разбавленных растворах и до оснóвной соли: Sn(OH)Cl.
Снижается степень гидролиза и с повышением основности галида. Так, если GeCl2переходит в оксид даже вконцентрированныхрастворах (в отличие от SnCl2 ), то PbCl2с водой вообще не взаимодействует.
Напротив, галиды Si и C гидролизуются нацело. Исключение составляют кинетически устойчивые CF4и CCl4 . Они не реагируют также с кислотами, щелочами и O2воздуха при нагревании. Благодаря этому CCl4применяется как невзрывоопасный растворитель. А смешанные галиды углерода состава CClnF4−n(фреоны), которые в об.у. пассивнее CO2 , используются в качестве хладореагентов в холодильных установках.
Комплексные соединения.Для элементов в ст.ок. (+2) комплексные соединения не очень устойчивы и получены только начиная с германия (но лишь в концентрированных растворах), например: H[GeCl ]3(водой разрушается).
Для олова и свинца синтезированы КС состава: H2[ЭГ4 ], причем для олова(II) их устойчивость от фторидных КС к иодидным падает, а для свинца(II) наоборот растет.
С повышением ст.ок. Э, как обычно, увеличивается склонность его к комплексообразованию. Поэтому КС для Sn(IV) и Pb(IV) общей формулой M2[ЭГ6 ] устойчивее, чем соответствующие КС для Э(II). Особенно стабильныхлоридные84комплексы олова; например, (NH4 )2[SnCl ]6не разлагается даже при кипячении.
Германий(IV) образует КС с F − и Cl ,− а кремний(IV) - только с F .− Причем прочность связи Si− F столь высока, что при гидролизе SiF4кроме кремниевой, образуется и гексафторокремниевая кислота: H2[SiF ]6 . Последняя (в отличие от фтороводородной) являетсясильнойкислотой (Kd = 4,2) инереагируетсо стеклом.
Однако неустойчива к действию щелочных растворов:
⎧NH3 ⋅H2O→ SiO2 ⋅nH2O+ NH4F,
H2[SiF6 ]+ ⎨
⎩NaOH→ Na2SiO3 + NaF.
На практике применяют соли данной кислоты, в частности, Na2SiF6- для фторирования воды, в качестве инсектицида, в производстве эмали и др. [8].
Хорошо растворимые фторосиликаты (например, магния и цинка) используются в качестве флюатов, т.е. веществ, которыми покрывают изделия из цемента (памятники, статуи и т.п.), защищаяих от разрушающего действия атмосферы.
Защитное действие состоит в том, что данные соли гидролизуются и взаимодействуют с CaO на поверхности цемента. При этом образуются мелкодисперсные осадки CaF2и H4SiO4 , которые закупоривают поры цемента, и таким образом формируется плотная пленка,непроницаемаядля влаги и других веществ.